管線(xiàn)基坑穿越地鐵高架區(qū)間橋梁樁基影響研究

李 響，蔣 丹

(1.北京市公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線(xiàn)有限責(zé)任公司,北京 100071; 2.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測(cè)所有限責(zé)任公司,北京 100037)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的迅速發(fā)展,都市通勤壓力得以顯著減輕,但由于空間局限,城市規(guī)劃時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)軌道交通的各種管線(xiàn)交叉施工[1-2]。基坑施工對(duì)鄰近樁基的危害主要體現(xiàn)在其水平位移與豎向沉降上,進(jìn)一步可能引發(fā)樁基一定范圍的水平偏移,從而降低樁基的承載能力[3]。具體而言,土壤沉降對(duì)樁基產(chǎn)生了負(fù)摩阻力,導(dǎo)致樁體下沉。特別是當(dāng)樁基發(fā)生不均勻下沉?xí)r,這將引起上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。這種不均勻沉降不僅會(huì)影響建筑物或構(gòu)筑物的整體穩(wěn)定性,還會(huì)給其造成額外的荷載分布和變形不均的風(fēng)險(xiǎn)。而土壤的水平位移則會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩、應(yīng)力和位移,對(duì)鄰近樁基造成進(jìn)一步影響。當(dāng)這些影響達(dá)到嚴(yán)重程度時(shí),臨近樁基可能會(huì)發(fā)生過(guò)度變形甚至破壞,從而危及到樁所支撐的建筑物或構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和安全性[4]。

最初基坑開(kāi)挖有限元計(jì)算主要以平面為主,隨著開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)情況日趨復(fù)雜,采用空間三維有限元計(jì)算已顯得十分必要[5]。楊敏等[6]首次利用三維彈塑性有限元法,對(duì)基坑開(kāi)挖和臨近樁基相互作用問(wèn)題進(jìn)行了分析。張樂(lè)樂(lè)[7]采用MIDAS GTS NX建立修正摩爾-庫(kù)侖土體模型對(duì)基坑開(kāi)挖鄰近地鐵樁基變形進(jìn)行三維有限元分析。根據(jù)多項(xiàng)研究結(jié)果表明,深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋樁的影響主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:首先,土體的水平位移會(huì)產(chǎn)生不平衡的水平力作用于樁身上,導(dǎo)致樁發(fā)生額外的應(yīng)力和位移;其次,土體的沉降會(huì)引起樁身負(fù)摩阻力的作用,增加樁基的承載壓力;最后,土體的變形可能引發(fā)鄰近橋墩發(fā)生附加的沉降現(xiàn)象[8]。這些因素的綜合影響可能對(duì)橋樁的穩(wěn)定性和承載能力產(chǎn)生重要影響,因此在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中需要認(rèn)真評(píng)估和采取相應(yīng)的工程措施,以確保鄰近橋樁的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

為模擬管線(xiàn)基坑穿越對(duì)高架橋樁的影響,本文建立了三維數(shù)值計(jì)算模型,得出各方向樁基變形最大值與發(fā)生位置,并提出了相應(yīng)控制措施。

1 工程概況

北辛安路位于石景山區(qū)中西部,該路段從K1+896起點(diǎn)延伸至設(shè)計(jì)終點(diǎn)段,穿越大臺(tái)鐵路和軌道交通S1線(xiàn),形成了一座鐵路立交。然而,由于道路低洼處的雨水無(wú)法自然排除,每年的汛期和大雨季節(jié)都容易出現(xiàn)積水問(wèn)題。因此,迫切需要建設(shè)一座雨水泵站來(lái)解決這一問(wèn)題。該泵站將起到將積水抽排的重要作用,確保道路通行的暢順與安全。泵站的擬建場(chǎng)地位于首鋼園北區(qū)1607-080地塊,進(jìn)入地鐵11號(hào)線(xiàn)金安橋站保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。泵站出水通過(guò)DN2 000 mm壓力管道自西向東接入特鋼北二路規(guī)劃雨水管道(6.8 m3/s),下游經(jīng)北八溝接入西郊砂石坑。新建泵站進(jìn)水管線(xiàn)南北向鄰近穿越S1線(xiàn)四道橋-金安橋站高架區(qū)間,新建泵站出水管線(xiàn)東西向上穿地鐵11號(hào)線(xiàn)金安橋站車(chē)站主體(見(jiàn)圖1)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型選擇

考慮到施工引起的結(jié)構(gòu)沉降和地層有關(guān),此次的項(xiàng)目整體采用連續(xù)介質(zhì)模型,即地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)變形分析。修正摩爾-庫(kù)侖模型是一種改良版的本構(gòu)模型,用于描述土層的力學(xué)特性。該模型在摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),以適用于具有冪率關(guān)系的非線(xiàn)性彈性模型和彈塑性模型的組合模型[9]。它被廣泛應(yīng)用于模擬土壤在不同加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變行為,并能夠準(zhǔn)確考慮土壤的彈性和塑性特性。修正摩爾-庫(kù)侖模型為土力學(xué)研究和工程實(shí)踐提供了有效的工具,用于分析和計(jì)算土層的力學(xué)行為。

本次計(jì)算采用MIDAS GTS NX軟件,模擬基坑及管線(xiàn)的施工過(guò)程對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)及軌道的安全性影響,提供既有結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算數(shù)據(jù),綜合各項(xiàng)相關(guān)參數(shù),提出管線(xiàn)穿越對(duì)高架區(qū)間橋梁變形影響。

2.2 計(jì)算假定

基坑及管線(xiàn)開(kāi)挖施工期間既有地鐵僅考慮正常使用工況,不考慮地震、人防工況;在進(jìn)行基坑和管線(xiàn)開(kāi)挖施工時(shí),對(duì)于已存在的地鐵結(jié)構(gòu),通常僅考慮日常使用情況,而不考慮地震、防護(hù)等特殊工況。此外,我們假設(shè)已存在的地鐵結(jié)構(gòu)是具有彈性特性的線(xiàn)性材料。同時(shí),我們假定新建結(jié)構(gòu)、已存在的地鐵結(jié)構(gòu)和土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。需要明確的是,本評(píng)估分析是在施工過(guò)程中充分控制的正常條件下進(jìn)行的。

2.3 計(jì)算模型

本次計(jì)算模型中,針對(duì)周?chē)馏w的描述使用了實(shí)體單元,這種單元可以更準(zhǔn)確地模擬土體的力學(xué)行為。根據(jù)不同的周?chē)翆忧闆r,選擇了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行建模。在邊界條件的選擇中,頂面采取了自由邊界條件,即允許自由變形;而其他邊界則采用了法向約束條件,即限制了邊界的法向位移,使其受到約束。通過(guò)這樣的模型設(shè)置,可以更好地模擬和分析土體與周?chē)Y(jié)構(gòu)的相互作用及變形行為。計(jì)算荷載考慮地鐵結(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重、地面超載20 kPa。計(jì)算模式針對(duì)不同的建筑材料選擇不同的本構(gòu)模型模擬,對(duì)水泥材料使用線(xiàn)彈性模型,各層土體使用D-P模式,模型中土層參數(shù)根據(jù)地勘資料選定,如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)表

三維評(píng)估模型范圍為沿既有地鐵S1線(xiàn)路方向150 m,線(xiàn)路法向方向200 m,土層厚度60 m。新建結(jié)構(gòu)包括擬建管線(xiàn)開(kāi)槽及頂管豎井,既有結(jié)構(gòu)包括S1線(xiàn)高架區(qū)間及11號(hào)線(xiàn)金頂街—金安橋暗挖區(qū)間。評(píng)估范圍示意圖和模型示意圖如圖2所示。

擬建工程項(xiàng)目影響既有S1線(xiàn),工程影響既有線(xiàn)范圍較大,結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn),根據(jù)新建項(xiàng)目特點(diǎn)與地鐵相對(duì)位置關(guān)系,結(jié)合地鐵保護(hù)相關(guān)條例關(guān)于地鐵保護(hù)區(qū)50 m范圍的要求,同時(shí),考慮計(jì)算模型邊界效應(yīng),針對(duì)項(xiàng)目影響S1線(xiàn)進(jìn)行建模,重點(diǎn)考察既有線(xiàn)受施工產(chǎn)生的變形及受力情況。

3 施工過(guò)程模擬及計(jì)算結(jié)果

施工過(guò)程模擬按安全評(píng)估所得最不利情況分析施工對(duì)既有橋梁的影響,模擬最不利情況一次整體開(kāi)挖完成。

為體現(xiàn)所有構(gòu)件的變化狀況和變化規(guī)律,下面將列出各階段在工程建設(shè)完成后所有構(gòu)件的變化云圖(見(jiàn)圖3—圖5),進(jìn)而分析所有構(gòu)件的變化結(jié)果和變化規(guī)律。

根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)測(cè)算,在管線(xiàn)開(kāi)槽完成后,已存在的地鐵S1線(xiàn)區(qū)間的高架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的豎向變形。其中,豎向變形的最大值為0.395 mm,表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的上浮變形,并發(fā)生在鄰近管線(xiàn)側(cè)的橋梁墩臺(tái)位置。此外,橫橋向的橫向變形的最大值為0.314 mm,而順橋向的橫向變形的最大值為0.157 mm(見(jiàn)表2)。這些橫向變形都偏向于管線(xiàn)開(kāi)挖側(cè),并出現(xiàn)在鄰近管線(xiàn)側(cè)的橋梁墩臺(tái)位置。這些測(cè)算結(jié)果反映了管線(xiàn)開(kāi)挖對(duì)地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響,提供了對(duì)結(jié)構(gòu)變形情況的定量描述。地鐵維修規(guī)則中給出了整體道床線(xiàn)路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值,見(jiàn)表3。

表2 既有S1線(xiàn)高架區(qū)間變形情況 mm

表3 地鐵維修規(guī)則中整體道床線(xiàn)路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

4 結(jié)論

1)管線(xiàn)基坑施工過(guò)程中,在豎直方向樁基均有所上浮,最大變形位置在遠(yuǎn)離既有11號(hào)線(xiàn)的橋墩承臺(tái)靠近開(kāi)挖側(cè);橫向上產(chǎn)生一定水平偏移,樁基底面向遠(yuǎn)離隧道方向偏移,樁頂向隧道方向偏移[8],且樁基上部產(chǎn)生的偏移較大。2)新建基坑工程引起既有地鐵S1線(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)最大豎向及橫向變形值均小于0.5 mm。因此,根據(jù)計(jì)算得出的軌道結(jié)構(gòu)變形值,可以滿(mǎn)足QB(J)/BDY(A)XL003—2015北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)—工務(wù)維修規(guī)則中規(guī)定的軌道幾何尺寸容許偏差管理值的要求(見(jiàn)表2)。這意味著計(jì)算結(jié)果顯示的軌道結(jié)構(gòu)變形在允許的范圍內(nèi),符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。這種符合性確保了軌道的幾何尺寸和形狀在合理的范圍內(nèi),以確保地鐵運(yùn)營(yíng)的安全和正常進(jìn)行。3)根據(jù)對(duì)變形風(fēng)險(xiǎn)最大的點(diǎn)位的分析,北辛安路(長(zhǎng)安街西延—阜石路)雨水泵站工程穿越地鐵S1號(hào)線(xiàn)施工時(shí)會(huì)對(duì)現(xiàn)有高架橋樁基和軌道框架造成相應(yīng)的附加變化,但預(yù)測(cè)影響值相對(duì)較小,仍處于軌道交通運(yùn)行的安全性容許標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)。4)基坑開(kāi)挖引起的土體水平位移是導(dǎo)致樁體側(cè)移和內(nèi)力產(chǎn)生的主要原因。這種位移受多個(gè)因素影響,包括支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、土壤結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖速度和深度,以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量等。其中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力和入土深度是最重要的因素。因此,在預(yù)測(cè)橋梁變形最大的區(qū)間進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí),必須確保支撐圍護(hù)符合規(guī)范要求,以減小土體水平位移的影響。這樣可以有效控制樁體的側(cè)移和內(nèi)力,并確保施工過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。